如何设计和使用缓冲器
scd----snubber
引言：一位朋友要求更一期snubber的详细介绍，这个拖更好久了，今天就补上!切断电路中的电流时，电路中的杂散电感会导致电压急剧增加，缓冲器电路提供保护，以抑制这个浪涌电压，吸纳在关闭时发生的瞬态电压冲击，保护电源mosfet及其附近的组件。一般来说，一个简单的rc缓冲器使用电阻r串联电容c，rc缓冲器与功率mosfet并联连接。
开关电路中的关闭电流由于杂散电感和自电感导致电压急剧增加，因此缓冲器可以用于降低dc-dc转换器中电压峰值和振铃(传送门：dc-dc-20：如何设计缓冲电路去除dc-dc的开关节点噪声)，为了降低电压的升高，最重要的是降低导线的杂散电感。
1.mos的振荡效应
功率mosfet比双极晶体管更容易发生寄生振荡，因为mosfet在高频域具有高增益的优点，从而导致寄生振荡。当栅漏耦合电容crss和寄生线电容cs引起输入端的负阻抗变化时，功率mosfet进入寄生振荡，一般可采用几种措施防止寄生振荡：
图20-1：mos的开关振荡
1：使用粗短线，或使用双绞线，以防止两根线之间的耦合。
2：尽可能靠近闸门端插入铁氧体珠(现在这种设计比较少见，一个是mos工艺进步，一个是成本考量，更多使用3#)
3：在栅极插入一个串联电阻--->rgate。
2.rc缓冲器
rc缓冲器或者叫rc抑制器，可用于抑制由降压dc-dc转换器开关产生的电压尖峰和高频振铃，这里再回顾一下降压转换器的运行及电压尖峰和振铃产生的机理。图20-2显示了一个基本的降压转换器电路，其工作流程如下(传送门：dc-dc-2：降压型的工作原理)：
图20-2：降压dc-dc工作图
步骤1：q1开启时，通过电感l给输出电容器cout充电。
步骤2：当q1关闭时，反向电动势产生的电流通过q2的体二极管流过l--->cout--->q2。(这段时间是q1和q2都关闭的死区时间)
步骤3：q2接通，电流流过l、cout和q2(从源极到漏极)，此时q2作为同步整流器运行。
步骤4：q2关闭，反向电动势导致电流流过其体二极管。
步骤5：q1接通，导致电流流向电感l，反向恢复电流流过q2的本体二极管。
在通过q2的体二极管的电流消失后，降压转换器再次通过步骤1到步骤5循环，降压转换器的输出电压vout由其输入电压vin和q1的占空比决定。
电压峰值和铃声
在步骤5中，寄生电感和电容形成一个谐振电路，引起瞬态电压尖峰和振铃。当在步骤5中q1过渡到打开状态，而q2过渡到关闭状态时，cin显示出非常大的电容，导致它们短路，而l也非常大，可以被认为是开路，此时图20-2中的降压转换器可以被建模为一个如图20-3所示的等效电路。
图20-3：q1开机后立即进行降压开关转换器的等效电路
寄生电容cp的主要来源是q2的coss，而寄生电感(l1、l2、ld和ls)的来源是导线、q1和q2。设这些电感的和为lp，然后cp、lp和rs形成一个lcr系列谐振电路。rs主要由cin的等效串联电阻esr和q1的开启电阻组成，其值很小可以忽略不计。因此电压峰值和振铃可以定义为cp(q2的coss)和lp(导线电感)之间的谐振。
3.使用rc缓冲器的电压峰值和振铃抑制
如上描述，在开关mos接通时，会在降压转换器中产生电压峰值和振铃，而使用缓冲器是用于保护瞬态电压的措施之一。缓冲器是一种保护电路，它抑制电流关闭时产生的瞬态电压，还抑制晶体管和二极管开关引起的电压峰值。缓冲器不仅可以保护开关设备，还可以保护其他电子部件，降低开关噪声。
图20-4和图20-5是一个带有缓冲器的降压转换器的简化图，当rc缓冲器抑制由开关产生的电压尖峰和振铃时，缓冲器电阻rsnb在缓冲器电容csnb的充放电期间将尖峰和振铃转变为功率消耗掉，因此有必要在选择rsnb和csnb时，考虑到它们的电压峰值和振铃抑制效应以及rsnb的功率损失之间的权衡。
图20-4：rc snubber的充能路径
图20-5：rc snubber的释能路径
相关的实例计算可以回看：dc-dc-20：如何设计缓冲电路去除dc-dc的开关节点噪声，这里不再赘述。
4.一般电源切断缓冲器
浪涌电压是由一个电路的杂散电感产生的，缓冲器应与开关器件并联连接，以吸收浪涌电压。有两种类型的缓冲器：一种是在每个开关器件上添加，另一种是在电源总线上添加的集中式缓冲器。
在每个开关器件添加缓冲器a.rc缓冲电路
1：理想的斩波电路
2：由于rc缓冲器电阻造成的功率损失非常大，所以rc缓冲器不适用于高频开关应用。
3：用于高电容开关装置的rc缓冲器需要有一个小阻值的电阻器，这将导致在接通期间漏极电流增加。
缓冲电阻耗散的功率p计算如下：
图20-6：干路电源分立式开关使用rc缓冲器
图20-7：实际设计案例
图20-7是一个使用实例，来自于域控制器的24v输入电源入口路径处，c305和r797构成一组rc
snubber，其中r797同时兼具钳位作用。
b.rdc充放电缓冲器
1：将二极管添加到rc缓冲器中，以增加缓冲器的阻力，这使得可以消除在导通期间由开关器件共享的电流。
2：缓冲电阻器耗散的大功率使rdc缓冲电阻器不适合高频应用。
缓冲电阻耗散的功率计算如下：
图20-8：rcd放电缓冲器
c.放电抑制rcd缓冲器
1：抑制关闭时产生的关闭浪涌电压。
2：较低的功耗非常适合理想的高频开关应用场景。
3：被缓冲器所消耗的能量很小。缓冲电阻耗散的功率p计算如下：
图20-9：放电-抑制rcd缓冲器
因为直流电源电压ed和浪涌电压之间的差异，在某些情况下，该电路可能无法提供足够的浪涌吸收性能，关键在于二极管的参数。(l：主电路的损耗电感;io：设备关闭时的排放电流;cs：缓冲电容的电容;ed：直流电源电压;f：开关频率)
5.电源干线集成缓冲器
如图20-10也有简化的缓冲器设计。
c型减振器
虽然c型减振器是最简单的，但由于主电路杂散电感与阻电容之间的lc共振，导致它们容易发生电压振荡。
rcd缓冲器
rcd缓冲器需要注意选择缓冲二极管，因为它可能会在反向恢复过程中导致高电压尖峰和电压振荡。
图20-10：左--->c型缓冲器;右--->rdc缓冲器
6.创建缓冲器设计(抑制放电的rcd缓冲器)
图20-11显示了一个缓冲器电路，图20-12显示了其波形。
图20-11：缓冲器电路
图20-12：缓冲器波形
在波形中所示的电压和电路常数可以计算如下，其中vdsp1是由缓冲器的电感ls产生的电压，其计算方法如下：
尽量将二极管d的正向电压vfr最小化，然后减少可能引起电压激增的ls都可以有效降低vdsp1。vcep2是当主电路的杂散电感lm的能量过充时，缓冲电容cs之间的峰值电压，由于存储在lm中的能量被转移到cs中，所以它们的能量是相等的。因此以下公式成立：
根据这个公式，c的值的计算方法如下：
考虑到mosfet的耐受电压，有必要确定vdsp2的值。缓冲电阻rs值的选择，缓冲电阻rs的作用是在mosfet开始其下一次开启操作之前，放电存储在缓冲电容器中的电荷。设放电时间常数为τ，则：
其中，τ为电压降至存储电压的37%所需的时间(传送门：scd-19：rc时间常数的计算和使用要点)，电压下降至10%(即电容器放电存储的90%的电荷)所需的时间为2.3τ，如图20-13所示：
图20-13：时间常量与放电量的对比关系
电容器必须在下一次关闭操作之前放电，因此必须满足下面的方程式，由这个方程可知，rs可以计算出如下：
如果缓冲器电阻值过低，缓冲器可能会出现电流振荡，因此必须使用一个阻值在合理范围内尽可能高的电阻器。
路由器设计集成多种功能于一身，助力体验无线上网冲浪
台式电脑十大品牌：戴尔成铭系列 助力中国企业数字化变革
新唐科技W567C171控制器
SSD主控芯片性能详解，Marvell 是数据存储解决方案的市场领先者
Simply NUC发布新款超迷你PC 首次搭载AMD APU处理器
如何设计和使用缓冲器
驾驭创造的力量: 生成式 AI 时代的 MLOps 演进
存储控制器系统级硬件仿真与原型验证性能
chroma致茂6530可程控交流电源
简易光纤测试仪的制作
万兆铜缆交换机与万兆光纤交换机有什么区别？该如何选择？
影子物联网存在怎样的风险
汽车智能化时代，电感如何应对智能座舱升级
中国台湾半导体产业数据统计：高低端区别愈发明显
卓翼科技一季度业绩持续下滑 净利润同比减少47.63%
济宁市磷酸铁锂电池项目正式签约
代币化将永远改变人们拥有资产的方式
Blender 3D数字内容创作软件套件3.0版本可支持部分AMD显卡
推动低碳照明转型 飞利浦高效节能系列LED产品全新上市
三星首家量产40nm级工艺4Gb DDR3绿色内存芯片
引言：一位朋友要求更一期snubber的详细介绍，这个拖更好久了，今天就补上!切断电路中的电流时，电路中的杂散电感会导致电压急剧增加，缓冲器电路提供保护，以抑制这个浪涌电压，吸纳在关闭时发生的瞬态电压冲击，保护电源mosfet及其附近的组件。一般来说，一个简单的rc缓冲器使用电阻r串联电容c，rc缓冲器与功率mosfet并联连接。
开关电路中的关闭电流由于杂散电感和自电感导致电压急剧增加，因此缓冲器可以用于降低dc-dc转换器中电压峰值和振铃(传送门：dc-dc-20：如何设计缓冲电路去除dc-dc的开关节点噪声)，为了降低电压的升高，最重要的是降低导线的杂散电感。
1.mos的振荡效应
功率mosfet比双极晶体管更容易发生寄生振荡，因为mosfet在高频域具有高增益的优点，从而导致寄生振荡。当栅漏耦合电容crss和寄生线电容cs引起输入端的负阻抗变化时，功率mosfet进入寄生振荡，一般可采用几种措施防止寄生振荡：
图20-1：mos的开关振荡
1：使用粗短线，或使用双绞线，以防止两根线之间的耦合。
2：尽可能靠近闸门端插入铁氧体珠(现在这种设计比较少见，一个是mos工艺进步，一个是成本考量，更多使用3#)
3：在栅极插入一个串联电阻--->rgate。
2.rc缓冲器
rc缓冲器或者叫rc抑制器，可用于抑制由降压dc-dc转换器开关产生的电压尖峰和高频振铃，这里再回顾一下降压转换器的运行及电压尖峰和振铃产生的机理。图20-2显示了一个基本的降压转换器电路，其工作流程如下(传送门：dc-dc-2：降压型的工作原理)：
图20-2：降压dc-dc工作图
步骤1：q1开启时，通过电感l给输出电容器cout充电。
步骤2：当q1关闭时，反向电动势产生的电流通过q2的体二极管流过l--->cout--->q2。(这段时间是q1和q2都关闭的死区时间)
步骤3：q2接通，电流流过l、cout和q2(从源极到漏极)，此时q2作为同步整流器运行。
步骤4：q2关闭，反向电动势导致电流流过其体二极管。
步骤5：q1接通，导致电流流向电感l，反向恢复电流流过q2的本体二极管。
在通过q2的体二极管的电流消失后，降压转换器再次通过步骤1到步骤5循环，降压转换器的输出电压vout由其输入电压vin和q1的占空比决定。
电压峰值和铃声
在步骤5中，寄生电感和电容形成一个谐振电路，引起瞬态电压尖峰和振铃。当在步骤5中q1过渡到打开状态，而q2过渡到关闭状态时，cin显示出非常大的电容，导致它们短路，而l也非常大，可以被认为是开路，此时图20-2中的降压转换器可以被建模为一个如图20-3所示的等效电路。
图20-3：q1开机后立即进行降压开关转换器的等效电路
寄生电容cp的主要来源是q2的coss，而寄生电感(l1、l2、ld和ls)的来源是导线、q1和q2。设这些电感的和为lp，然后cp、lp和rs形成一个lcr系列谐振电路。rs主要由cin的等效串联电阻esr和q1的开启电阻组成，其值很小可以忽略不计。因此电压峰值和振铃可以定义为cp(q2的coss)和lp(导线电感)之间的谐振。
3.使用rc缓冲器的电压峰值和振铃抑制
如上描述，在开关mos接通时，会在降压转换器中产生电压峰值和振铃，而使用缓冲器是用于保护瞬态电压的措施之一。缓冲器是一种保护电路，它抑制电流关闭时产生的瞬态电压，还抑制晶体管和二极管开关引起的电压峰值。缓冲器不仅可以保护开关设备，还可以保护其他电子部件，降低开关噪声。
图20-4和图20-5是一个带有缓冲器的降压转换器的简化图，当rc缓冲器抑制由开关产生的电压尖峰和振铃时，缓冲器电阻rsnb在缓冲器电容csnb的充放电期间将尖峰和振铃转变为功率消耗掉，因此有必要在选择rsnb和csnb时，考虑到它们的电压峰值和振铃抑制效应以及rsnb的功率损失之间的权衡。
图20-4：rc snubber的充能路径
图20-5：rc snubber的释能路径
相关的实例计算可以回看：dc-dc-20：如何设计缓冲电路去除dc-dc的开关节点噪声，这里不再赘述。
4.一般电源切断缓冲器
浪涌电压是由一个电路的杂散电感产生的，缓冲器应与开关器件并联连接，以吸收浪涌电压。有两种类型的缓冲器：一种是在每个开关器件上添加，另一种是在电源总线上添加的集中式缓冲器。
在每个开关器件添加缓冲器a.rc缓冲电路
1：理想的斩波电路
2：由于rc缓冲器电阻造成的功率损失非常大，所以rc缓冲器不适用于高频开关应用。
3：用于高电容开关装置的rc缓冲器需要有一个小阻值的电阻器，这将导致在接通期间漏极电流增加。
缓冲电阻耗散的功率p计算如下：
图20-6：干路电源分立式开关使用rc缓冲器
图20-7：实际设计案例
图20-7是一个使用实例，来自于域控制器的24v输入电源入口路径处，c305和r797构成一组rc
snubber，其中r797同时兼具钳位作用。
b.rdc充放电缓冲器
1：将二极管添加到rc缓冲器中，以增加缓冲器的阻力，这使得可以消除在导通期间由开关器件共享的电流。
2：缓冲电阻器耗散的大功率使rdc缓冲电阻器不适合高频应用。
缓冲电阻耗散的功率计算如下：
图20-8：rcd放电缓冲器
c.放电抑制rcd缓冲器
1：抑制关闭时产生的关闭浪涌电压。
2：较低的功耗非常适合理想的高频开关应用场景。
3：被缓冲器所消耗的能量很小。缓冲电阻耗散的功率p计算如下：
图20-9：放电-抑制rcd缓冲器
因为直流电源电压ed和浪涌电压之间的差异，在某些情况下，该电路可能无法提供足够的浪涌吸收性能，关键在于二极管的参数。(l：主电路的损耗电感;io：设备关闭时的排放电流;cs：缓冲电容的电容;ed：直流电源电压;f：开关频率)
5.电源干线集成缓冲器
如图20-10也有简化的缓冲器设计。
c型减振器
虽然c型减振器是最简单的，但由于主电路杂散电感与阻电容之间的lc共振，导致它们容易发生电压振荡。
rcd缓冲器
rcd缓冲器需要注意选择缓冲二极管，因为它可能会在反向恢复过程中导致高电压尖峰和电压振荡。
图20-10：左--->c型缓冲器;右--->rdc缓冲器
6.创建缓冲器设计(抑制放电的rcd缓冲器)
图20-11显示了一个缓冲器电路，图20-12显示了其波形。
图20-11：缓冲器电路
图20-12：缓冲器波形
在波形中所示的电压和电路常数可以计算如下，其中vdsp1是由缓冲器的电感ls产生的电压，其计算方法如下：
尽量将二极管d的正向电压vfr最小化，然后减少可能引起电压激增的ls都可以有效降低vdsp1。vcep2是当主电路的杂散电感lm的能量过充时，缓冲电容cs之间的峰值电压，由于存储在lm中的能量被转移到cs中，所以它们的能量是相等的。因此以下公式成立：
根据这个公式，c的值的计算方法如下：
考虑到mosfet的耐受电压，有必要确定vdsp2的值。缓冲电阻rs值的选择，缓冲电阻rs的作用是在mosfet开始其下一次开启操作之前，放电存储在缓冲电容器中的电荷。设放电时间常数为τ，则：
其中，τ为电压降至存储电压的37%所需的时间(传送门：scd-19：rc时间常数的计算和使用要点)，电压下降至10%(即电容器放电存储的90%的电荷)所需的时间为2.3τ，如图20-13所示：
图20-13：时间常量与放电量的对比关系
电容器必须在下一次关闭操作之前放电，因此必须满足下面的方程式，由这个方程可知，rs可以计算出如下：
如果缓冲器电阻值过低，缓冲器可能会出现电流振荡，因此必须使用一个阻值在合理范围内尽可能高的电阻器。
路由器设计集成多种功能于一身，助力体验无线上网冲浪
台式电脑十大品牌：戴尔成铭系列 助力中国企业数字化变革
新唐科技W567C171控制器
SSD主控芯片性能详解，Marvell 是数据存储解决方案的市场领先者
Simply NUC发布新款超迷你PC 首次搭载AMD APU处理器
如何设计和使用缓冲器
驾驭创造的力量: 生成式 AI 时代的 MLOps 演进
存储控制器系统级硬件仿真与原型验证性能
chroma致茂6530可程控交流电源
简易光纤测试仪的制作
万兆铜缆交换机与万兆光纤交换机有什么区别？该如何选择？
影子物联网存在怎样的风险
汽车智能化时代，电感如何应对智能座舱升级
中国台湾半导体产业数据统计：高低端区别愈发明显
卓翼科技一季度业绩持续下滑 净利润同比减少47.63%
济宁市磷酸铁锂电池项目正式签约
代币化将永远改变人们拥有资产的方式
Blender 3D数字内容创作软件套件3.0版本可支持部分AMD显卡
推动低碳照明转型 飞利浦高效节能系列LED产品全新上市
三星首家量产40nm级工艺4Gb DDR3绿色内存芯片